硅纳米金字塔助力实现具有更优电性能的准全向太阳电池

将太阳光直接转换成电能,对极度依赖电力又面临环保和传统能源枯竭压力的当今社会,无疑是一种充满诱惑力的能源利用方式。为了完成这一光电转换过程,太阳电池器件应运而生。它通过吸收太阳光,转换成光生载流子,并有效被电极收集,成为可对外做功的电能。因此,为了提高发电性能,一方面,需要减小太阳光在电池表面的反射损失,从而增强光吸收,另一方面需要保持具有较低的光生载流子复合几率,才能使光生电子和空穴有效被电极收集。需要特别指出的是,由于地球的自转和公转,太阳光对太阳电池器件的入射角在不同季节和一天内的不同时刻都会发生变化。一般随入射角的增大,反射光损失越严重。所以如何实现太阳电池器件极大化捕获每天/每年的太阳光子数量,对有效提升太阳电池的日/年发电量显得意义非凡。虽然目前可采用追光系统解决这一问题,但需付出昂贵的成本。

ss面临上述挑战,上海交通大学太阳能研究所的沈文忠教授团队基于“不变应万变”的思想,利用全溶液法在太阳电池表面制备出硅纳米金字塔结构阵列,即可大大削弱太阳电池减反能力对入射角的依赖性,提高全天候和全年性捕获太阳光子的能力。而且这种纳米绒面相比传统绒面结构具有更低的载流子复合通道。因此这种纳米金字塔绒面电池可以准全方向性保持优越电池性能,实现更高的日/年发电量。相关结果发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201700200)上。

尽管其它硅纳米结构材料如纳米线、纳米孔、纳米锥等也具有优越的宽角度减反性能,但这些纳米结构通常具有较大的比表面积,容易引发严重的表面载流子复合损失,导致电池性能不如预期令人满意。而纳米金字塔结构拥有优越光学特性的同时具有较低的载流子复合特性,但目前主流制备纳米金字塔绒面的方法较为复杂和昂贵,不利于在太阳电池生产线上推广。该研究团队采用自主提出的金属辅助碱刻蚀方法制备硅纳米金字塔绒面,是一种全溶液制备过程,简单而成本低廉,与现有生产线兼容。该方法制备的纳米金字塔绒面具有比传统微米金字塔绒面更低的表面增加率,从而易于实现更低的表面载流子复合损失,反映在电池特性上,具有更高的开路电压和填充因子优势。此外,该研究团队发现纳米金字塔可以在较宽的入射角范围内使太阳光强烈地耦合进入硅体内,显著削弱减反效果对太阳入射角的依赖性。所以基于该纳米结构的太阳电池可以在较宽入射角范围保持优越的性能,成为一种准全向太阳电池。以上海位置为例,该研究团队通过计算指出这种纳米金字塔绒面电池相比传统太阳电池可以实现更高的日/年发电量,最高时可增加2.5%。研究者相信,这种准全向太阳电池为低成本实现高发电量提供了一种新的机会。